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1、1,电力电子与现代生活 Power Electronics Technology and Modern Life,电力电子与现代生活,第 2 章 电力电子器件与变换电路,3,第一部分 电子器件与电力电子器件,2.1 半导体基本知识 2.2 半导体二极管及电力二极管 2.3 半导体三极管及电力三极管 2.4 半控型器件晶闸管 2.5 门极可关断晶闸管GTO 2.6 电力场效应管 （电力MOSFET ） 2.7 绝缘栅极晶体管 IGBT,第2章 电力电子器件与变换电路,5,电力开关类型：,概述,6,概述,7,概述,8,电磁接触器,概述,9,电力电子开关： 构成材料：半导体材料，有内阻，集成结构。
2、工作原理：借助控制电压或电流，使开关接通或断开。 工作频率：能频繁操作，不同的器件，工作频率不同，如： 晶闸管：50Hz 几kHz IGBT: 5kHz 50kHz MOSFET: 几kHz 几MHz 应用场合：电路的接通或断开，或电能变换。 特点： 接通后，接通电阻不为零，有一定电压降落； 断开后，电阻不为无穷大，存在一定漏电流。,概述,10,2.1.1 导体、半导体和绝缘体,导体：自然界中很容易导电的物质称为导体，金属一般都是导体，如铁、铜、铝等。,绝缘体：有的物质几乎不导电，称为绝缘体，如橡皮、陶瓷、塑料和石英。,半导体：有的物质的导电特性处于导体和绝缘体之间，称为半导体，如锗、硅、砷化
3、镓和一些硫化物、氧化物等。,半导体的导电机理不同于其它物质，其特点为：,当受外界热和光的作用时，它的导电能力明显变化。,往纯净半导体中掺入某些杂质，会使其导电能力明显改变。,2.1 半导体的基本知识,11,2.1 半导体的基本知识,在绝对零度以下，本征半导体中无活跃载流子，不导电,用的最多的半导体是硅和锗，最外层电子（价电子）都是四个。,2.1.2 本征半导体：完全纯净的、结构完整的半导体晶体。,形成共价键后，每个原子最外层电子是八个，构成稳定结构。,共价键结构,束缚电子,12,2.1 半导体的基本知识,2.1.3 N型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑）而形成，也称为 电子型半
4、导体。,半导体掺杂 在本征半导体中掺入某些微量的杂质，就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂使半导体的某种载流子浓度大大增加。,13,2.1 半导体的基本知识,掺入五价元素后自由电子数目大量增加，自由电子导电成为这种半导体的主要导电方式，称为电子半导体 或 N型半导体。 掺杂浓度越大，自由电子数目越多，导电能力越强。 在N型半导体中自由电子是多数载流子，空穴是少数载流子。,14,2.1 半导体的基本知识,2.1.4 P 型半导体：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元 素，如硼(或铟)而形成，也称为 空穴型半导体。,15,2.1 半导体的基本知识,掺入三价元素后空穴数目大量增加，空穴导电成为
5、这种半导体的主要导电方式，称为空穴半导体或 P型半导体。 在 P 型半导体中空穴是多数载流子，自由电子是少数载流子。,16,2.1.5 PN结,形成空间电荷区,扩散的结果使空间电荷区变宽。,内电场,内电场越强，漂移运动越强，扩散运动越弱,扩散和漂移这一对相反的运动最终达到动态平衡，空间电荷区的厚度固定不变。,1 . PN结的形成,17,2.1.5 PN结,18,2.1.5 PN结,19,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管是以半导体PN结和两端引线以及封装组成的。 二极管主要特点：单向导电性。 主要分为：电子学上的小功率半导体二极管； 电力电子学上的功率型电力二极管。 2.2.1 二极管
6、的主要结构： (a) 点接触型: 结面积小、结电容小、正向电流小。用于检波等高频电路。 (b) 面接触型 结面积大、正向电流大、结电容大，用于工频大电流整流电路。 (c) 平面型 用于集成电路制作工艺中。PN结结面积可大可小，用于高频整流和开关电路中。,20,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管的结构示意图,21,2 .2 半导体二极管及电力二极管,电力二极管的结构示意图,图2-2 电力二极管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 基本结构 c) 电气图形符号,22,2 .2 半导体二极管及电力二极管,二极管的外形：,2.2.2 二极管的伏安特性：,硅管0.5V,锗管0.1V。,反
7、向击穿 电压U(BR),导通压降,外加电压大于死区电压二极管才能导通。,外加电压大于反向击穿电压二极管被击穿，失去单向导电性。,正向特性,反向特性,特点：非线性,硅0.60.8V 锗0.20.3V,死区电压,反向电流 在一定电压 范围内保持 常数。,24,2.2.3 二极管的单向导电性,1. 二极管加正向电压（正向偏置，阳极接正、阴极接负 ）时， 处于正向导通状态，正向电阻较小，正向电流较大。,2. 二极管加反向电压（反向偏置，阳极接负、阴极接正 ）时， 处于反向截止状态，反向电阻较大，反向电流很小。,3. 外加电压大于反向击穿电压，二极管被击穿，失去单向导电性，二极管损坏。,25,2.2.3
8、 二极管的单向导电性,RL,ui,uo,二极管的应用举例1：二极管半波整流,26,二极管的应用举例2：二极管桥式整流,2.2.4 特殊二极管 稳压二极管,1. 符号,2. 伏安特性,稳压管正常工作时加反向电压,使用时要加限流电阻,稳压管反向击穿后，电流变化很大，但其两端电压变化很小，利用此特性，稳压管在电路中可起稳压作用。,28,2.2.4 特殊二极管发光二极管,发光二极管是一种将电能转换为光能的半导体器件，它包含了可见光、不可见光、激光等类型。,可见光发光二极管也称为LED，符号如图所示。发光颜色目前有红色、绿色、橙色、黄色、白色等。发光二极管的电特性与普通二极管一样，伏安特性曲线也类似，同
9、样具有单向导电性。但正向导通电压比普通二极管高，红色的导通电压在1.61.8V间，绿色的为2V左右。,符号,29,2.2.4 特殊二极管光电二极管,光电二极管是一种将光能转换为电能的半导体器件。也有可见光和不可见光（如远红外光）之分。其外形与发光管类似。,光电二极管在反向电压作用下工作。当无光照时, 和普通二极管一样, 其反向电流很小, 称为暗电流。当有光照时, 产生的反向电流称为光电流。照度E越强，光电流也越大。光电流很小, 一般只有几十微安, 应用时必须放大。,符号：,光耦合器,30,2.3 半导体三极管及电力三极管,2.4. 1 基本结构,基极,发射极,集电极,NPN型,PNP型,符号：
10、,NPN型三极管,PNP型三极管,31,基区：厚度最薄， 掺杂浓度最低,发射区：掺 杂浓度最高,发射结,集电结,2.3.2 三极管的结构特点：,集电区： 面积最大,基极,发射极,集电极,32,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,基极-发射极：,基极,发射极,33,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,基极-集电极：,基极,集电极,34,2.3.3.三极管内部载流子的运动规律,IE,发射结正偏，发射区电子不断向基区扩散，形成发射极电流IE。,进入P 区的电子少部分与基区的空穴复合，形成电流IBE ，多数扩散到集电结。,从基区扩散来的电子作为集电结的少子，漂移进入集电结而被收集，形成ICE。
11、,最重要特性：电流放大,35,2.3.4 三极管的外形普通三极管,按功率大小分： 普通三极管 电力三极管,36,2.3.4 三极管的外形电力三极管（GTR）,37,2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构,1达林顿GTR 达林顿结构由两个或多个晶体管复合而成，可以是PNP型也可以是NPN型，其性质由驱动管来决定。如图4-2，图中：V1为驱动管、V2为输出管 。,达林顿GTR a)NPN型 b)PNP型 c)实用达林顿电路,38,2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构,2. GTR模块 GTR模块:它将GTR管芯、稳定电阻R1、R2，加速二极管VD1以及续流二极管VD2等构成一个单元，根据
12、不同用途将几个单元电路组装在个外壳之内构成模块。 将上述单元电路集成制作在同一硅片上，大大提高了器件的集成度。 特点：小型轻量化、性能/价格比提高,39,2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构,实例：几类达林顿GTR及其辅助元器件构成的模块。,40,2.3.5 电力三极管（GTR）的常见结构,GTR模块外形： 两个单元，四重达林顿,41,2.3.6 三极管的三种工作状态,三极管有三种工作状态：截止状态、放大状态、饱和状态。当三极管用于不同目的时，它的工作状态是不同的。 三种状态也叫三个工作区域 即：截止区、放大区和饱和区： 截止区：当 B 极无电流时，三极管截止，C到E之间阻值无穷大，C到
13、E之间无电流通过。 放大区：B极有电流，IC和IE都随IB改变而变化 饱和区：当集电结电流IC增大到最大时，进入饱和区。饱和时，集电极和发射之间的内阻最小，集电极和发射之间的电流最大。 普通三极管：放大状态、开关状态 电力三极管：开关状态 （= 饱和状态+截止状态）,42,2.4 半控型器件晶闸管,晶闸管（Thyristor）是晶体闸流管的简称，又称作可控硅整流器（Silicon Controlled RectifierSCR），以前被简称为可控硅。 1956年美国贝尔实验室（Bell Lab）发明了晶闸管，1957年美国通用电气公司开发出了世界上第一只晶闸管，并于1958年使其商业化。 由于
14、其能承受的电压和电流容量仍然是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，因此在大容量的场合仍然具有比较重要的地位。,晶闸管及模块,2.4.1 引言,43,2.4.2 晶闸管的结构,2.4.2 晶闸管的结构 从外形上来看，晶闸管也主要有螺栓型和平板型两种封装结构 。 引出阳极A、阴极K和门极（控制端）G三个联接端。 内部是PNPN四层半导体结构。,图2-7 晶闸管的外形、结构和电气图形符号 a) 外形 b) 结构 c) 电气图形符号,44,2.4.3 晶闸管的双晶体管模型及其工作原理,工作原理 : 1. uak0, uG=0; 3. uak0, uG0; 4. 门极作用; 5. IA=0,2.4.
15、3 晶闸管的工作原理,关键词： 正反馈，饱和,45,2.4.3 晶闸管的工作原理, 正常工作时的特性 总结如下： 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发电流，晶闸管都不会导通 。-截止 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下晶闸管才能开通 。-开通条件 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是否还存在，晶闸管都保持导通。-半控 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的电流降到零。 -关断条件,46,（1）0 t1 : 开关S未合上，晶闸管未导通；,（2）t1 t2 : uAK 0 ，由于开关S合上，使ug0，即晶闸管导通；,（3）t2
16、 t3 : uAK 0，但 ud=0，即晶闸管关断；,（4）t3 t4 : uAK 0，这时ug 0 ，所以，晶闸管又导通；,（5）t 4 t5 ： ug = 0 ，但uAK 0 ，即晶闸管仍处于导通状态；,（6）t = t5 : uAK = 0 ， ug=0 ，而ud=0，即晶闸管关断，晶闸管处于阻断状态。,实验电路如图：,2.4.3 晶闸管的工作原理,2.4.3 晶闸管的工作原理,47,2.4.4 晶闸管的基本特性,晶闸管的伏安特性 正向特性： 正向阻断状态 导通状态 反向特性： 反向阻断状态 反向击穿,图2-9 晶闸管的伏安特性 IG2 IG1 IG,48,2.4.5 晶闸管的派生器件双向晶闸管,Bidirectional triode thyristor） 可以认为是一对反并联联 接的普通晶闸管的集成。 门极使器件在主电极的正反两方向均可触发导通
